全 文 ：林业科学研究 2005, 18( 2) : 158~ 162
Forest Research
文章编号: 10011498( 2005) 02015805
乌兰布和沙漠东北缘不同灌溉模式绿洲外围
半固定白刺群落格局研究
李慧卿1, 3 , 赵秀莲1 , 张景波2 , 李慧勇4 , 江泽平1 , 张洪江3
( 1中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木培育重点实验室,北京 100091;
2 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古 磴口 015200; 3 北京林业大学水土保持学院,北京 100083;
4 山西水利科学研究所,山西 太原 030002)
摘要 :以乌兰布和沙漠东北缘黄灌区和井灌区绿洲外围天然半固定白刺群落为研究对象,主要采用 Ver Hoef等 1989
年修正的多规模排序法, Dale等提出的格局强度、格局一致性指标以及 NoyMeir 等移动的样方加权平均值,对比分
析了两个群落的植被格局特点,包括格局规模、不同格局规模上植物种的组合、植被沿样带的变化,格局强度以及格
局的一致性。结果表明:两个半固定白刺群落格局都是白刺单种群控制的灌木格局。相同的植物种在不同的格局
规模以及不同的环境条件下,种间联结关系会不一样。与井灌区绿洲外围半固定白刺群落相比,黄灌区绿洲外围的
半固定白刺群落平均格局规模数较多,格局规模相对较大,相应的格局强度较低, 格局一致性相对较差。
关键词:白刺; 群落;多规模排序; 格局强度;格局一致性; 贡献率
中图分类号: S727. 23 文献标识码: A
收稿日期: 20040802
基金项目: 国家科技攻关计划专题( 2002BA517A092)
作者简介: 李慧卿( 1971 ) ,女,山西盂县人,助理研究员,在职博士生,主要从事植物地理、荒漠化防治以及水土保持方面的研究
Contrast of Pattern Characters in Two Different Natural Nitraria tangutorum
Communnities in Half Fixed Dunes Outside Oases under
Different Irrigating Systems
LI Huiqing 1, 3 , ZHAOXiulian1 , ZHANG Jingbo2 , LI Huiyong 4 , JIANG Zeping 1 , ZHANGHongj iang 3
( 1Research Inst itute of Forestry, CAF; Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration, Beijing 100091, China;
2Desert Forestry Experimental Center,CAF, Dengkou 015200, Inner Mongolia, China; 3Soil and Water Conservation College, Beijing Forestry
University, Beijing 100083, China; 4Shanxi Water Resource andHydraulics Research Institute,Taiyuan 030002, Shanxi,China)
Abstract:Making use of the methods of multiscale ordination(Ver Hoef & GlennLewin, 1989) , the pattern intense and pattern
consistence index(Dale& Zbigniewicz) and themoving weight average quadrat scores(NoyMeir & Anderson) , the paper analyzed
the vegetation pattern characters of the natural Nitraria tangutorum communities in half fixed dunes outside the HuangheRiver ir
rigating oasis and the well water irrigating oasis including pattern scale, species combination at different scale, behavior of the veg
etation along the transect, pattern intense and pattern consistence. The results showed that both the two half fixed Nitraria tanguio
rum communit ies were shrub patterns controlled by single species. The association of same species were different at different scale
and under different environment condition. The average number of pattern scale was more, pattern scale was larger, the correspond
ing pattern intense was lower, and the pattern consistence was smaller in Nitraria tangutorum communities of half fixed dunes out
side theHuanghe River irrigating oasis, contrasting with that outside the well water irrigating oasis.
Key words:Nitraria tangutorum ; community;multi_scale ordination; pattern intense; pattern consistence; contribution
种群和群落的分布格局是植物生态学研究的热
点之一。NoyMeir[ 1] 等创造并由 Ver Hoef等 [ 2] 修正
的多规模排序法, 是研究多种群多规模格局应用频
率最高的一种方法, 但在国内植被格局研究中应用
的还较少。它的优点在于: 能够有效地鉴别出多
种群多规模的斑块; ! 能够成功地评价在多种规模
格局上多种群的关联性以及关联程度, 而这是用传
统排序方法作植被格局分析所做不到的; ∀ 分析结
果不受样带起始点的影响; #协方差矩阵可以在任
何大小的区组上进行计算。本研究中, 继续采用
Dale等[ 3]建议的种群贡献率以及多种群格局一致性
指标进行分析, 使多种群多规模植被格局分析内容
得到补充完善。
白刺 ( Nitraria tangutorum Bobr. ) 是荒漠和半荒
漠地区重要的植物建群种之一, 为亚洲中部荒漠的
特有成分, 在防止风沙危害、改良土壤、保持沙区生
态平衡过程中发挥着重要作用。本文对乌兰布和沙
漠东北缘黄河水灌溉绿洲以及井水灌溉绿洲外围天
然半固定白刺群落格局进行研究, 旨在探讨不同灌
溉模式绿洲外围植被的空间分布格局特点及植物种
间关系,以及不同灌溉模式绿洲开发对外围天然植
被结构的潜在影响, 为该区人工防治荒漠化、进行植
被恢复重建提供依据。
1 研究区自然概况
乌兰布和沙漠位于 39∃19%~ 40∃57%N, 106∃19%~
106∃57%E, 面积 1. 298 & 104 km2 , 是我国八大沙漠之
一。该区平均气温 8. 5 ∋ , 年降水量80~ 150 mm,年
蒸发量高达3 500 mm。气候干旱, 降水稀少,大风和
干热风多且强烈, 自然环境十分严酷。植被以旱生
及超旱生沙生灌木或半灌木植物为主。
研究区段主要在中国林业科学研究院沙漠林业
实验中心实验场。根据灌溉方式,将绿洲分为黄河水
灌溉区(黄灌区)和井水灌溉区(井灌区)。黄灌区一
般地势较低,地下水埋深平均为 3 m 左右。黄灌区绿
洲外围试验地点主要选在实验一场西大滩。井灌区
地势较高,地下水埋深平均为 9 m左右。井灌区绿洲
外围试验地点选在试验四场西侧。两个群落地貌都
为缓平沙丘,土壤主要是古黄河漫滩相黏土上覆盖的
风沙土以及出露的黏土,群落植被主要是白刺。
2 研究方法
21 取样方法
取样采用连续小样方组成的样带法[ 4]。2003年
9月初, 在乌兰布和沙漠东北缘不同灌溉模式绿洲
外围,首先选择两个典型的天然半固定白刺群落, 然
后在群落内布置样带。样带的方向垂直于西北风主
害风方向(主害风方向为西偏北 12∃)。因为在冬春
季节,起沙风以西北风为主,而垂直于主害风方向的
植被格局对沙面的稳定性影响相对较大。本文研究
的是灌木加草本的多种群混合格局, 样方大小的选
择以照顾草本为主, 通过加长样带的长度来满足灌
木格局的需求,因此将小样方设计为 50 cm & 50 cm。
为减低农田防护林对绿洲外围植被的影响, 样带距
农田防护林网约 500~ 700 m。在黄灌区绿洲外围半
固定白刺群落内布置了两条样带, 井灌区绿洲外围
半固定白刺群落内布置了一条样带, 每条样带的小
样方数目为 512个。记录小样方中所有植物种的盖
度。
22 数据分析方法
( 1)格局规模分析 采用 Ver Hoef 等[ 2]修正的
多规模排序法。先用Hill的双项局部样方方差( Two
term local quadrat variance)以及它相应的协方差[ 5] (本
文最大区组数定为总样方数的三分之一) , 计算出所
有种不同区组的协方差矩阵 Cb ; 然后将不同区组的
协方差矩阵相加,得出协方差和矩阵 C; 对协方差和
矩阵进行主成分分析( PCA) , 找出主成分及其特征
值;再将主成分特征值分配到不同区组的协方差矩
阵中。将分配在区组中的主成分特征值(方差) W i
( b )与区组大小作图。与区组相对应的方差图的顶
点或峰值可以解释成与植被格局规模相关。
( 2)格局强度分析 采用 Dale等[ 3]建议的方法,
利用完全格局的概念, 将每一区组的方差 Wi ( b )转
换成格局强度 Ji ( b ) ,公式为:
J i ( b ) = 6bWi ( b)( b2+ 2)
( 3)格局一致性分析 根据 Dale 等[ 3]提出的格
局一致性指标, 推算出的在不同排序轴及不同区组
上的格局一致性指标为: M i ( b) = J i ( b )∗
j
Dj
不同排序轴解释的植被总体格局一致性指标
为: M it = ∗
b
M i ( b)
其中 M i ( b ) : 在不同排序轴 i 以及不同区组 b
上的格局一致性指标; M it : 不同排序轴解释的植被
总体格局一致性指标; Dj :出现在小样方中的植物种
j 的盖度; Ji ( b ) :在不同排序轴 i 及不同区组 b 上的
格局强度。
159第 2期 李慧卿等: 乌兰布和沙漠东北缘不同灌溉模式绿洲外围半固定白刺群落格局研究
群落总体格局一致性指标可以用不同排序轴解
释的植被总体格局一致性指标赋予权重后的和来表
示(权重值为各主成分对方差的贡献率)。
( 4) 植物种对格局的贡献率分析 采用 Dale
等[ 3]建议的方法。
( 5)植被沿样带的变化 根据 NoyMeir 等[ 1] 的
方法,计算出移动的样方加权平均值。
3 结果与分析
31 黄灌区绿洲外围半固定白刺群落植被格局
311 植被格局规模及植物种组合 对黄灌区绿
洲外围半固定白刺群落内所有植物种不同区组协方
差和矩阵进行主成分分析,根据特征值占总方差的
比率, 第1条样带选取 1 个主成分, 解释 9997%的
植被信息量; 第 2 条样带也选取一个主成分, 解释
9488%的植被信息量。
从图 1样带 1中可以看出: 样带 1代表的植被
存在 3个规模的斑块, 即区组 21、区组 61以及区组
103规模的斑块,相应的斑块长度分别为 105、305、
515 m。从峰值的高低可以看出: 区组 21 规模的斑
块对植被的贡献最大,其次分别为区组 103、区组 61
规模的斑块。从峰的陡峭程度可以看出:区组 21、61
规模的斑块界限要比区组 103规模的斑块界限更明
显一些。从植物种对植被的贡献率来看 (表 1样带
1) ,白刺贡献率高达 9992% , 占绝对的控制地位。
草本植物中, 沙米 ( Agriophyllum squarrosum ( L )
Moq)贡献率最高,也仅占 008%,虫实( Corisp ermum
monglicum lljin)、猪毛菜( Salsola collina Pall. )和沙竹
( Psammochloa villosa ( Trin) Bor. ) 的贡献率接近于
零。可见黄灌区白刺群落样带 1代表的植被基本为
白刺单种群控制的灌木格局。在主成分特征向量提
供的植物种得分中, 具有相似分数的植物在这个规
模的斑块上最大程度地趋向于正关联[ 2]。从样带 1
(表 1)主成分特征向量可以看出: 白刺与猪毛菜成
正关联,但关联程度并不密切;白刺与沙米、虫实和
沙竹成负关联。这是因为在样带 1上, 猪毛菜经常
生长在白刺包上,而沙米、虫实和沙竹则更多的生长
在两个白刺包之间,草本植物的盖度相对较小, 所有
关联程度都不密切。
从图 1样带 2可以看出: 样带 2 代表的植被存
在 3个规模的斑块,即区组11、区组 48以及区组105
规模的斑块, 相应的斑块长度分别为 55、24、525
m。在 3个格局规模中, 区组 48规模的斑块对植被
贡献最大;而区组 11规模的斑块界限最明显。从表
1植物种贡献率可以看出:样带 2代表的植被格局基
本为白刺单种群控制的灌木格局, 白刺贡献率高达
9971%, 而 沙 冬 青 ( Ammopiptanthus mongolicus
( Maxim) Cheng f . )和草本植物的贡献率都很低。从
主成分特征向量可以看出(表 1样带 2) ,在这 3个规
模的斑块上,白刺与虫实、沙竹、沙米和五星蒿( Bas
sia dasyphylla( Fisch. et Mey) OKuntze)都成正关联,
但关联程度都不太紧密; 白刺与沙冬青成负关联。
因为在样带 2上,虫实、沙竹、沙米和五星蒿都不同
程度的出现在白刺包上,与白刺混生;而沙冬青则主
要出现在白刺未生长的地方。
表 1 黄灌区绿洲外围半固定白刺群落植物种对植被格局的贡献率以及主成分的特征向量
样带号 植物种 植物种贡献率
(第 1主成分)
主成分特征向量
(第 1主成分) 样带号 植物种
植物种贡献率
(第 1主成分)
主成分特征向量
(第 1主成分)
白剌 0. 999 2 0999 6 沙冬青 0. 000 8 - 0028 1
沙米 0. 000 8 - 0. 028 2 白剌 0. 997 1 0998 6
1 虫实 0. 000 0 - 0. 000 4 2 虫实 0. 000 0 0004 2
猪毛菜 0. 000 0 0000 2 沙竹 0. 000 8 0003 0
沙竹 0. 000 0 - 0. 001 6 沙米 0. 002 0 0. 045 2
五星蒿 0. 000 0 0000 8
312 植被沿样带的变化 从图 2可以看出黄灌区
样带 1以及样带 2第 1主成分解释的植被沿样带的
变化。样方加权平均值几乎没有出现负分, 样方加
权平均值得较高的正分, 意味着样方中白刺盖度显
著增加;较低的正分或负分则意味着样方中白刺盖
度的降低,主成分特征向量中得正分较低的植物种
或得负分的植物种增加,如沙米、虫实、猪毛菜、沙竹
等(表 1)。
160 林 业 科 学 研 究 第 18 卷
图 1 黄灌区绿洲外围半固定白刺群落 2条样带第 1主成分区组方差图
图 2 黄灌区绿洲外围半固定白刺群落 2条样带第 1主成分移动的样方加权平均值
313 植被格局强度及格局一致性 对黄灌区绿
洲外围半固定白刺群落的格局强度以及格局一致性
进行分析,样带 1第1主成分解释的区组21、区组61
以及区组 103 规模对应的植被格局强度分别为
0315 9、0177 2、0140 6, 格局一致性指标分别为
0528 3、0296 4、0235 0。随着格局规模的增大, 格
局一致性逐渐减低, 其中样带 1代表的植被总体格
局一致性指标为0298 9。样带 2第 1主成分解释的
区组 11、区组 48以及区组 105规模对应的格局强度
分别为 0286 6、0171 2、0086 1,格局一致性指标分
别为 0302 0、0180 4和 0090 7。样带 2代表的植
被总体格局一致性指标为 0127 3, 可见样带 1代表
的植被比样带 2代表的植被格局更规则, 群落总体
格局一致性指标为 0213 1。
32 井灌区绿洲外围半固定白刺群落植被格局
321 植被格局规模及植物种组合 对井灌区绿
洲外围半固定白刺群落所有植物种不同区组协方差
和矩阵进行主成分分析, 根据特征值占总方差的比
率,井灌区选取一个主成分, 解释 9998%的植被信
息量。
从井灌区第 1主成分分配在不同区组中的主成
分特征值(方差) 与区组大小所作的图形来看 (图
3) ,在区组 14和区组 58处明显出现峰值,说明斑块
的规模为区组 14和区组 58,相应的斑块长度分别为
7、29 m。从峰值的高低可以看出:区组 58规模的斑
块比区组 14规模的斑块对植被的贡献大;但从峰的
陡峭程度来看, 区组 58 规模没有区组 14规模的斑
块界限明显。从植物种对植被的贡献率来看 (表
图 3 井灌区绿洲外围半固定白刺群落
第 1主成分区组方差图
161第 2期 李慧卿等: 乌兰布和沙漠东北缘不同灌溉模式绿洲外围半固定白刺群落格局研究
2) , 植被格局为白刺单种群控制的灌木格局。白刺
对植被的贡献率最高,为 9974%;沙米和油蒿( Arte
misia ordosica Krasch. )次之;五星蒿、猪毛菜、虫实以
及沙竹这几种草本植物对白刺群落的贡献率微小。
从主成分的特征向量表(表 2)看出: 白刺与猪毛菜
成正关联, 但关联程度并不太紧密; 它们与油蒿、沙
米、五星蒿、虫实和沙竹成负关联。
表 2 井灌区绿洲外围半固定白刺群落植物种
在植被格局中的贡献率以及主成分特征向量
植物种 植物种贡献率
(第 1主成分)
主成分特征向量
(第 1主成分)
白剌 0997 4 0998 7
油蒿 0000 2 - 0014 7
沙米 0002 4 - 0048 8
五星蒿 0000 0 - 0001 5
猪毛菜 0000 0 0001 7
虫实 0. 000 0 - 0001 3
沙竹 0. 000 0 - 0002 2
322 植被沿样带的变化 从图 4 可以看出井灌
区绿洲外围白刺群落第 1主成分解释的植被沿样带
的变化。样方加权平均值得高的正分, 意味着在样
方中白刺盖度显著增加; 得较低的正分或负分则意
味着样方中白刺盖度的降低, 油蒿、沙米、五星蒿、虫
实、沙竹等植物种的盖度增加(表 2)。
图 4 井灌区绿洲外围半固定白刺群落第 1
主成分移动的样方加权平均值
323 植被格局强度及格局一致性 对井灌区绿
洲外围半固定白刺群落的格局强度以及格局一致性
进行分析,区组 14、区组 58规模对应的植被格局强
度分别为 0324 5和 0240 9, 格局一致性指标分别
为0771 0和 0572 5, 群落的总体格局一致性指标
为0486 5。
4 小结与讨论
从植物种对植被的贡献率可以看出: 黄灌区和
井灌区绿洲外围半固定白刺群落格局基本为白刺单
种群控制的灌木格局。
从 2个群落格局内的植物种组合可以看出: 在
不同的格局规模以及不同的环境条件下, 即使相同
的植物种,种间联结关系也会不一样, 这一点与 Ver
hoef等 [2] 的看法相似。
本研究中,灌木植物种与草本植物种的关联程
度都比较弱,可能实际关联程度会强一些, 这主要是
受盖度数据的影响,灌木植物的盖度相对较大,而草
本植物的盖度相对较小。
与井灌区相比, 黄灌区绿洲外围半固定白制群
落平均格局规模数较多,格局规模相对较大,相应的
格局强度较低, 格局一致性相对较差。这说明黄灌
区绿洲外围半固定白刺群落的斑块破碎化程度较
高、斑块及斑块间隙都相对较大(假设植被格局是同
等规模大小斑块和间隙交替出现的完全斑块)、斑块
和斑块间隙的盖度差异性较小、格局的规则性相对
较差[ 6] (不仅指斑块大小,而且指斑块盖度)。2个群
落格局特点差异明显,一方面可能与群落自身的演
替等生物因素有关系,但可能与环境因子有更密切
的关系,如沙包高低的变化、沙面稳定性、地下水埋
深、绿洲开发带来的干扰因素等。
参考文献:
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